Amplifier 20W Class-A

Modul amplifier class-A 20W ini memiliki fitur tingkat distorsi ultra-rendah, kebisingan yang sangat rendah, level dan catu daya yang sederhana, yang meningkatkan efisiensi secara keseluruhan. Karena beroperasi dalam mode class-A murni maka tidak ada distorsi crossover sama sekali.

Transistor keluaran MJL21193 dan MJL21194 memiliki jarak yang cukup jauh satu sama lain dan dibaut ke heatsink yang besar. Heatsink yang cukup besar ini berfungsi untuk menghilangkan disipasi panas sekitar 50W dengan aman secara terus menerus. Rangkaian yang ditampilkan adalah mono dan dibutuhkan satu unit lagi secara mirror untuk membuatnya menjadi stereo.

MJL21193

Yang menjadi kelemahan dalam rangkaian amplifier class-A adalah meskipun bebas distorsi akan terjadi disipasi daya yang relatif besar jika dibandingkan dengan daya output nya oleh sebab itu dibutuhkan pendingin dengan dimensi yang relatif lebih besar.

Desain PCB

Posisi dua transistor penguat daya yang terpisah cukup jauh berguna agar panas diantara kedua transistor lebih tersebar dan diserap lebih baik oleh heatsink. Meskipun amplifier dapat menghasilkan output 25W maka heatsink akan menjadi terlalu panas dan akan terjadi clipping, dan operasional class-A hanya memberikan daya murni sebesar 20W.

Kinerja

Distorsi untuk daya keluaran 5W hingga 20W lebih kecil dari 0,001% dan biasanya kurang dari 0,0006% sekitar 10W. Respons frekuensi yang cukup lebar yaitu –1dB pada 90Hz dan –3dB pada 1,5Hz dan 190kHz karena adanya filter pasif pada input. Rasio signal-to-noise atau SNR dengan daya 20W pada beban 8W adalah –115dB, sedangkan A-weighted angkanya adalah –118dB.

Diagram rangkaian lengkap dari Modul Penguat Kelas-A 20W ditunjukkan pada Gb-1.

Gambar-1. Amplifier 20W Class-A

Gambar-2. Power Supply

Detail Rangkaian

Sinyal input digabung melalui sebuah kapasitor elektrolit  47uF/25V dan resistor R2 dengan nilai 100 ohm ke basis tarnsistor  Q1 yang merupakan salah satu dari pasangan diferensial Q1 dan Q2 menggunakan transistor Toshiba 2SA970 PNP low-noise.

Resistor input R2 dengan nilai 100 ohm dan kapasitor C1 dengan nilai 820pF berfungsi sebagai lowpass filter, dengan -6dB/octave roll-off di atas 190kHz. Resistor input 100 ohm (R2) dan Kapasitor 820pF (C1) merupakan filter lowpass, dengan roll-off –6dB/oktaf di atas 190kHz.

Filter ini memiliki impedansi yang sangat rendah untuk berbagai jenis sumber sinyal input dengan kontrol volume 20kohm yang juga akan menurunkan noise amplifier.

Kedua resistor bias bagi Q1 dan resistor feedback yang terhubung secara seri ke basis Q2 diatur pada 10 kohm untuk meminimalisir impedansi sumber yang dapat mengakibatkan derau yang disebut Johnson noise.

Gain dari amplifier diatur 100x oleh rasio dari resistor feedback 10 kohm dan 510 ohm  dengan penguatan sebesar 20.6, sementara gain dari low-frequency roll-off (–3dB) diatur oleh kapasitor 220uF pada 1.4Hz.

Efek Samping

Amplifier ini menggunakan kapasitor yang cukup besar pada input dan rangkaian feedback dimana hal ini bertujuan untuk menghilangkan semua efek dari distorsi kapasitor pada rangkaian audio pass-band.

Dioda D1 and D2 yang melewati kapasitor 220uF/25V berfungsi untuk mencegah kerusakan yang mungkin terjadi akibat kesalahan pada tegangan negatif power supply yang akan melindungi loudspeakers terhadap potensi kerusakan.

Pada kondisi ini, loudspeaker akan terlindungi dari kerusakan yang diakibatkan oleh modul proteksi loudspeaker namun kapasitor 220uF akan tetap digunakan untuk mengantisipasi arus balik.

Kedua dioda tersebut untuk memastikan tidak terjadi distorsi efek non-linear terhadap penggunaan satu buah dioda pada sinyal feedback maksimum atau sekitar 1V puncak.

Gain Tegangan

Gain tegangan terbesar dihasilkan oleh transistor Q9 yang diumpankan lewat Q8 sebagai emitter follower dari kolektor Q1. Emitter follower digunakan sebagai buffer kolektor Q1 untuk mengurangi efek non-linear. Transistor Q9 beroperasi tanpa resistor emitor untuk memaksimalkan gain dan tegangan pada output.

Beban pada kolektor Q1 dan Q2 disediakan oleh current-mirror transistors Q3 dan Q4. Begitupula dengan beban kolektor pada transistor Q9 disedikan oleh beban arus konstan yang tersusun atas transistor Q6 dan Q7. Sementara itu, bias tegangan pada basis untuk current-source yang konstan Q5 juga diatur oleh Q6.

Transistor Q5 merupakan pengikut arus konstan bagi pasangan input diferensial sekaligus mengatur arus kolektor yang melalui transistor ini.

Power Supply Rejection Ratio (PSRR)

Jaringan bias yang cukup rumit untuk Q5, Q6 dan Q7 berfungsi untuk memperbaiki faktor PSRR dari keseluruhan penguat. Selain itu kualiatas nilai PSRR juga ditingkatkan dengan filter bypass yang terdiri dari resistor 10 ohm/1W dan kapasitor 1000uF/35V pada supply tegangan negatif.

Faktor PSRR menjadi sangat penting karena amplifier ini beroperasi di class-A dimana akan mengkompensasi arus konstan melebihi 1A (aktual 1.12A) dari supply tegangan positif dan negatif. Ini sangat baik daripada amplifier class-B yang pada umumnya biasanya sekitar 20 hingga 30mA saja.

Driver Keluaran

Sinyal output dari tingkat penguat tegangan Q9 dikopel ke transistor driver dikopel ke Q11 dan Q13 lewat resistor 100 ohm.

Hal ini akan melindungi transistor Q7 dan Q9 jika terjadi hubing-singkat pada output yang dapat membuat transistor rusak sebelum sekering bekerja untuk memutus arus. Resistor 100 ohm juga berfungsi sebagai resistor stopper untuk membantu mencegah terjadinya osilasi parasit pada output.

Pada tingkat output menggunakan pasangan feedback komplementer (Complementary Feedback Pairs = CFP) yang terdiiri dari transistor Q11, Q12, Q13 dan Q14. Hal ini menghasilkan kinerja yang lebih linear daripada pasangan transistor Darlington yang secara umum diterapkan pada amplifier push-pull kebanyakan. Sebagai dampaknya, komponen tersebut terkoneksi sebagai pasangan feedback dengan arus feedback 100% dari kolektor Q12 ke emitor Q11 secara virtual oleh resistor emitor 0.1 ohm/5W.

Agar konsep CFP lebih mudah dimengerti, bayangkan transistor Q11 sebagai penguat common-emitter dengan resistor beban kolektor 100 ohm. Koneksi emitor-basis dari transistor Q12 dihubungkan melewati resistor 100 ohm ini, dan akan menjadi tingkat ppenguat arus dan beban kolektornya adalah resitor 0.1 ohm, yang mana akan memberikan feedback arus ke emitor Q11. Karena ada 100% feedback lokal, pasangan output ini memiliki gain total dan tingkat linearitas yang sangat tinggi.

Transistor Keluaran

Transistor output adalah MJL21193 dan MJL21194 yang dikemas dengan berbahan plastik. Rating yang diberikan adalah 250V, 16A (puncak 30A) dan 200W dan jelas sedikit berlebihan daripada yang dibutuhkan oleh amplifier ini.

Rangkaian ini menggunakan kedua komponen di atas karena kedua transistor tersebut merupakan salah satu dari transistor komplementer dengan linearitas terbaikyang dibuat oleh pabrikan komponen terbaik di dunia (awalnya dibuat oleh Motorola dan saat ini berasal dari On Semiconductor.

Pasangan feedback komplementer menggunakan transistor driver BD139 dan BD140 dan bukan transistor kebanyakan untuk daya rendah seperti BC337 dan BC327. Hal ini diperlukan karena disipasi daya yang lebih tinggi pada transistor driver.

Tingkat Multiplier

Transistor Q10 adalah multiplier Vbe dimana 'multiplier Vbe' adalah sumber tegangan mengambang dengan kompensasi suhu dan dalam hal ini ‘multiplier dari Vbe’ merupakan sumber tegangan floating yang terkompensasi-suhu yang menyediakan sekitar 1.6V di antara basis Q11 dan Q13.

Q10 sebagai multiplier akan memperbesar tegangan antara basis dan emitornya dengan rasio dari total impedansi di antara kolektor dan emitor berbanding impedansi antara basis dan emitornya.

Dalam prakteknya, trimpot VR1 tidak diatur untuk menghasilkan tegangan tertentu yang akan melewati Q10 namun untuk menghasilkan arus diam sebesar 1.12A pada tingkat keluaran. Ini membutuhkan tegangan sebesar 112mV melewati tiap resistor emitor 0.1Ω. Dalam prakteknya, resistor emitor memiliki toleransi 5%, jadi tegangan rata-rata yang melewati setiap resistor ini adalah 112mV.

Dalam prakteknya, trimpot VR1 tidak diatur untuk menghasilkan tegangan tertentu melintasi Q10, tetapi untuk menghasilkan arus diam yang ditentukan sebesar 1,12A di tahap keluaran. Ini membutuhkan tegangan dari 112mV di setiap resistor emitor 0,1Ω. Dalam prakteknya, resistor emitor memiliki toleransi 5%, jadi kami rata-rata tegangan di masing-masing resistor ini di 112mV. Pengkuran ini dapat dilakukan menggunakan multimeter digital.

Alasan menggunakan transistor BD139 adalah bahwa transistor tersebut lebih baik dalam mendeteksi suhu pada tingkat driver dan transistor output yang akan menghasilkan bias yang lebih stabil. Dlaam penerapannya, Q10 dibaut ke heatsink yang sama dengan transistor driver Q11 untuk memperaiki pendeteksian suhu. Resistor 16Ω di sirkuit kolektor Q10 berfungsi untuk meningkatkan kompensasi suhu.

Keluaran Filter RLC

Filter RLC pada output terdiri dari induktor 6.8µH air-cored, resistor 6.8Ω dan kapasitor 150nF 250VAC. Filter output ini pertamakali diperkenalkan oleh Neville Thiele dan hingga saat ini masih menjadi rangkaian filter yang sangat efektif untuk mengisolasi amplifier dari reaktansi kapasitif pada beban sehingga akan menjaga stabilitas dalam kondisi apapun.

Filter ini juga membantu melemahkan sinyal RF yang diterima loudspeaker dan menghentikannya dari umpabalik ke tahap awal amplifier dimana sinyal ini dapat menjadi sinyal tembus.

Amplifier 20W Menggunakan IC TDA7360

Cara membuat amplifier 20W menggunakan IC TDA7360 sangatlah mudah dan menggunakan komponen yang banyak beredar di pasaran.  Rangkaian amplifier ini memiliki bandwidth yang cukup lebar dan low-noise.

TDA7360

Spesifikasi lengkap IC ini dapat dilihat pada datasheet berikut dimana IC STA7360 terdiri dari 2 buah amplifier (stereo) yang dapat menghasilkan daya maksimum 11W per-channel dengan impedansi speaker 2 ohm atau 20W menggunakan speaker 4 ohm per-channel dengan konfigurasi full-bridge (mono). Dapat pula menggerakkan speaker 8 ohm (atau lebih) dengan konsekuensi bahwa daya yang dihasilkan akan lebih rendah. Konfigurasi mono (full-bridge) atau stereo dapat diatur hanya dengan menggunakan sebuah kabel. Tegangan operasi berkisar antara 8 - 18 VDC dan dapat digunakan pada sistem audio di dalam mobil.

Gb. 1. Amplifier 20W dengan konfigurasi stereo

Standby kondisi ON

Amplifier ini dilengkapi dengan mode Standby yang ditentukan oleh resistors R6, R3 dan kapasitor C3. Dlam operasi normal, IC1 pin 11 terhubung dengan tegangan supply positif (+) melalui R6 dan R3 secara seri. Jika terminal ST-BY dikoneksikan ke 0V arus positif melalui R6 akan terhubung ke ground secara shunt dan IC1 pin 11 akan terhubung ke ground lewat R3, mematikan sirkuit dan mengurangi arus supply menjadi 100uA.

Konfigurasi Bridge

Pada mode bridge (Gb-3) kedua amplifier stereo independen digabungkan untuk menggerakkan sebuah speaker LS1. The loudspeaker is connected between one amplifier output (OP1) and the other (OP2) as shown in Fig. 3.
Output dari amplifier menggunakan tegangan mid-rail yang sama maka tidak akan ada tegangan DC dan oleh karena itu tidak memerlukan kapasitor kopling C4 dan C6 pada output.. Resistor R4 dan R5 juga bersifat redundant.
Pada mode bridge, output dari salah satu amplifier adalah inverted jadi bukan saling menunda namun tegangan yang melewati speaker akan digandakan. Hal ini dilakukan oleh IC dengan menghilangkan link antara pin 8 dan pin 4 (mode-stereo) dan menghubingkan pin 10 and 4 (mode bridge).
Ayunan tegangan output pada mode bridge adalah dua kali jika dibandingkan dengan mode stereo single-ended karena speaker dapat di-drive hampir pada tegangan penuh dalam satu arah ketika output OP1 (pin 10) kondisi high dan OP2 (pin 8) pada kondisi low dan hal yang sama berlaku sebaliknya ketika output OP2 high dan OP1 low. Hal ini menghasilkan output yang lebih tinggi khususnya pada supply tegangan yang lebih rendah.
Hanya satu input (IN1) yang perlu dihubungkan dengan sinyal input signal, sementara input satunya (IN2) dapat dihubungkan ke ground input (S-G2), melalui kapasitor kopling C2. Jika input yang satunya tidak di-ground, akan bekerja sebagai input inverting, dan dapat digunakan untuk menunda bebrapa jenis interensi dan noise.

Polaritas Terbalik

Rangkaian ini tidak memiliki proteksi dari polaritas terbalik dari tegangan power supply. IC ini dapat menahan arus terbalik hingga 10A seperti yang tercantum pada datasheet ““selama menggunakan fuse 2A”.
Menggunakan dioda proteksi yang terpasang secara seri dapat mengurangi ayunan tegangan sekitar 1V, and mungkin akan mengakibatkan distorsi pada output, jadi menempatkan fuse pada jalur supply akan lebih efisien, praktis dan efektif dan sangat dianjurkan.

Clip Detector

Transistor NPN open-collector akan ON jika rangkaian mencapai clipping. Arus output dari transistor adalah 70uA dengan distorsi sekitar 1% dan akan meningkat seiring kenaikan level. Jika rangkaian men-supply sinyal input yang mengandung tegangan DC pada kontrol volume, hal ini dapat dikoneksikan agar output secara otomatis berkurang untuk mencegah distorsi beban lebih. Sebagai alternatif, arus tersebut dapat dikuatkan untuk men-drive sebuah LED.

Amplifier 10W Menggunakan IC LM1875

Amplifier ini sangat cocok untuk digabungkan dengan discman, mp3 player, perangkat game atau lainnya dengan menghasilkan cukup daya mengingat amplifier ini ditenagai oleh tegangan 16V 1.25A.

Amplifier ini memiliki 3 sumber sinyal seperti CD player, MP3 player dan tuner FM/AM tuner yang dapat dimodifikasi dengan menambahkan LED pada panel depan untuk menunjukkan sumber sinyal yang digunakan. Memiliki pengaturan bass, treble volume dan balance. Di sisi belakang dapat ditambahkan soket input RCA, terminal speaker (mis: binding post), sebuah pendingin yang dilengkapi dengan fan dan sebuah soket untuk catu daya.

LM1875

Amplifier ini dapat menghasilkan sekitar 17 watts ‘music power’ pada tiap kanal dengan impedansi speaker 4 ohm. Untuk ruangan seukuran kamar tidur amplifier ini sangat efisien. Output juga sangat senyap dimana parameter lain sangat baik dan ekonomis. Menggunakan IC LM1875 yang memiliki proteksi terhadap suhu dimana sekalipun menghubuing-singkat output, IC ini tidak akan mengalami kerusakan.

Prinsip Kerja 

Skema rangkaian dapat dilihat seperti pada gambar (Fig.1.) dimana kanal kiri dan kanan adalah identik dengan input preamp diikuti dengan tone control dan sebuah power amplifier pada tingkat akhir. Sinyal yang melewati kanal kiri dan kanan adalah sama.

Pengguna dapat memilih salah satu dari ketiga sumber sinyal menggunakan selektor input S1a yang diberi label CD, MP3 dan TUNER, namun begitu sumber sinyal dapat digunakan sebagai line-level dari berbagai sumber sinyal seperti DVD player, MiniDisc player, perangkat game ataupun VCR.

Dari sakelar, selanjutnya sinyal akan melewati low-pass filter sederhana yang dibentuk oleh resistor 2.7 kohm dan kapasitor 680pF. Filter ini  akan menyaring frekuensi RF lain ataupun noise yang mungkin saja terdapat pada sinyal audio, untuk mencegah masalah sinyal. Selanjutnya, sinyal akan melewati kontrol volume potensiometer VR1a.

Dari VR1a, sinyal tersebut akan melewati kapasitor kopling 220nF ke input IC1a, yang merupakan setengah dari IC opamp TL072 dual FET. IC1a berfungsi sebagai preamplifier dengan gain tegangan diatur sebesar 3x menggunakan feedback negatif yang dibentuk oleh resistor 5.6 kohm dan 2.7 kohm.

Sinyal yang sudah diperkuat oleh IC1 dari output pin 1 kemudian diumpankan ke tone-control dari IC2 yaitu setengah kedua dari IC opamp TL072. IC2 terhubung dengan tone-control feedback negatif menggunakan metode Baxandall dimana frekuensi yang lebih rendah dari 500Hz akan mengalami bass-boost. Sementara jika VR2a diputar berlawanan arah jarum jam akan mememberikan efek bass-cut di bawah frekuensi 500Hz.

Hal yang sama terjadi dimana VR3a dapat digunakan untuk mengatur boost atau cut di atas frekkuensi 2kHz. Dengan terhubungnya kedua tone-control ini yang mana merupakan bagian dari rangkaian feedback negative yang terhubung ke IC2a, maka pengaturan boost atau cut tanpa menghasilkan distorsi ataupun kenaikan noise.

Pengaturan Balance

Sinyal output dari IC2a kemudian diumpankan lewat resistor seri 4.7 kohm dan sebuah kapasitor non-polar 1 uF (NP) ke input positif dari IC3 yang merupakan daya bagi IC power amplifier kanal sebelah kiri. Perhatikan salah satu ujung VR4 (kontrol Balance) terhubung ke gabungan dari resistor 4.7 kohm dan kapasitor 1 uF NP.

Karena titik yang bergerak pada potensiometer VR4 terhubung ke ground, artinya resistor 4.7 kohm membentuk pembagi tegangan yang juga sama dengan kanal yang lain. Sebagai tambahan, karena kedua oembagi tegangan dilakukan oleh VR4 maka rasionya berubah berdasarkan posisi putaran dimana saat putaran dilakukan ke arah salah satu titik dari titik tengah, gain akan berkurang di kanal sebelah kirinamun akan meningkat di kanal sebelah kanan dan begitupula sebaliknya.

IC Penguat Daya

IC3 menggunakan IC penguat daya LM1875T dengan kemasan TO-220 dengan 5 pin dan lempengan besi untuk dihubungkan ke heatsink. IC ini terhubung sebagai penguat daya dasar dengan penguatan tegangan sekitar 18 kali, yang mana diatur oleh resistor feedback negatif 82 kohm dan 4.7 kohm (gain = 1 + 82k/4.7k).

Kapasitor 4.7uF yang terhubung secara seri dengan resistor 4.7 kohm bertujuan untuk memberikan feedback negatif penuh DC demi kestabilan suhu maksimal. Sebagai tambahan, kapasitor 220nF yang terhubung secara seri dengan resistor 2.7 kohm yang dihubungkan antara output IC3 dan ground membentuk rangkaian Zobel-filter untuk memastikan bahwa amplifier dalam kondisi stabil pada frekuensi tinggi dengan berbagai impedansi speaker.

Catu Daya

Kedua IC3 dan IC4 dioperasikan oleh supply ±22V DC. Ini memberikan supply DC total sebesar 44V yang dibutuhkan oleh tingkat penguat daya untuk menghasilkan daya yang diinginkan ke speaker 8 ohm dengan distrosi yang rendah.

Supply tegangan ±22V DC diperoleh dari tegangan sumber 16V AC menggunakan 4 buah dioda dengan penyearah setengah gelombang untuk menggerakkan IC3 dan IC4. Tiap penyearah (positif dan negatif) menggunakan sebuah dioda 1N5404 dan sebuah kapasitor reservoir 2,200uF dimana ini dilakukan untuk meminimalkan efek crosstalk antara kedua channel.